Les approches de simulation classiques ne sont en général pas adaptées pour traiter les aspects de complexité que présentent les systèmes complexes tels que l'émergence ou l'adaptation. Dans cette thèse, l'auteur s'appuie sur ses travaux menés dans le cadre d'un projet de simulation sur l’épidémie de grippe en France associée à des interventions sur une population en considérant le phénomène étudié comme un processus diffusif sur un réseau complexe d'individus, l'originalité réside dans le fait que la population y est considérée comme un système réactif. La modélisation de tels systèmes nécessite de spécifier explicitement le comportement des individus et les réactions de ceux-cis tout en produisant un modèle informatique qui doit être à la fois flexible et réutilisable. Les diagrammes d'états sont proposés comme une approche de programmation reposant sur une modélisation validée par l'expertise. Ils correspondent également à une spécification du code informatique désormais disponibles dans les outils logiciels de programmation agent. L'approche agent de type bottom-up permet d'obtenir des simulations de scénario "what-if" où le déroulement des actions peut nécessiter que les agents s'adaptent aux changements de contexte. Cette thèse propose également l'apprentissage pour un agent par l'emploi d'arbre de décision afin d'apporter flexibilité et lisibilité pour la définition du modèle de comportement des agents et une prise de décision adaptée au cours de la simulation. Notre approche de modélisation computationnelle est complémentaire aux approches traditionnelles et peut se révéler indispensable pour garantir une approche pluridisciplinaire validable par l'expertise. / Traditional approaches are not sufficient, and sometimes impossible in dealing with complexity issues such as emergence, self-organization, evolution and adaptation of complex systems. As illustrated in this thesis by the practical work of the author in a real-life project, the spreading of infectious disease as well as interventions could be considered as difusion processes on complex networks of heterogeneous individuals in a society which is considered as a reactive system. Modeling of this system requires explicitly specifying of each individual’s behaviors and (re)actions, and transforming them into computational model which has to be flexible, reusable, and ease of coding. Statechart, typical for model-based programming, is a good solution that the thesis proposes. Bottom-up agent based simulation finds emergence episodes in what-if scenarios that change rules governing agent’s behaviors that requires agents to learn to adapt with these changes. Decision tree learning is proposed to bring more flexibility and legibility in modeling of agent’s autonomous decision making during simulation runtime. Our proposition for computational models such as agent based models are complementary to traditional ones, and in some case they are unique solutions due to legal, ethical issues.

L’effet du vieillissement sur les fonctions cognitives de haut niveau demeure encore relativement incompris. Cette recherche vise à mieux comprendre les différences interindividuelles de performances entre les individus jeunes et âgés par l’étude des processus de contrôle attentionnel mis en jeu dans les tâches de commutation attentionnelle. Dans unpremier temps, deux tâches d’alternance de type séries alternées ont été administrées à des adultes jeunes et âgés. Les résultats n’indiquent pas d’effet de l’âge sur les coûts d’alternance mesurés mais en revanche un coût d’alternance symétrique (étude 1) et des coûts d’alternance locaux et globaux différents selon les individus (étude 1 et 2). Dans un second temps, un travail de modélisation du fonctionnement cognitif à l’aide de l’architecture cognitive ACT-R a été réalisé. Il permet de tester la plausibilité des hypothèses de diminution de la vitesse de traitement (VT) et de diminution de la capacité de la mémoire de travail (CMT), à pouvoir reproduire les différences de performances entre jeunes et âgés. Lesrésultats des tests d’hypothèse pour les deux études réalisées indiquent que ces hypothèses ne reproduisent pas assez les effets empiriquement observés ce qui suppose que les hypothèses de diminution de la VT ou de la CMT sont insuffisantes pour expliquer les différences de performances individuelles observées. Cette étude met en évidence l’intérêt de la modélisation cognitive computationnelle dans la compréhension des processus sous-jacent le fonctionnement cognitif humain / The effect of aging on high level cognitive functions is still relatively misunderstood. The aim of this research is to better understand individual performance differences between young and elderly individuals, by studying the attentional control processes involved in task switching. Initially, two switching tasks were administered to young and elderly adults. The results indicate no age effect on the switching cost but show an asymmetric switching cost (Study 1) and differentlocal and global switching costs between individuals (study 1 and 2). In a second step, a computational cognitive modeling of cognitive functioning is built using the ACT-R architecture. It enables to test the veracity of the assumptions of reduced processing speed (VT) and reduced capacity of working memory (WCL), to reproduce the observed performance differences between young and old individuals. The results of the hypothesis tests for both studies indicate that these assumptions do not reproduce adequately the empirically observed effects, which implies that the assumptions of decreased VT or CMT are insufficient to explain the individual performance differences observed. This study highlights the interest of computational cognitive modeling in the understanding of the processes underlying human cognitive functioning

Compte tenu de la grande distribution des gènes des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) dans le génome humain et du vaste potentiel thérapeutique de ces récepteurs, beaucoup d'efforts ont été déployés au cours des trois dernières décennies afin de comprendre les bases structurales de leurs mécanismes d'actions. Les travaux de recherches présentés dans le cadre de cette thèse rapportent le développement et l'utilisation d'approches biochimiques afin de caractériser la structure moléculaire d'un modèle de GPCR peptidergique, soit le récepteur de l'angiotensine II de type 1 (AT[indice inférieur 1]). Dans une première étude (J.Med.Chem.2006,49(7):2200-9), nous décrivons la synthèse stéréospécifique d'une sonde photoréactive, le p-[3-(trifluorométhyl)-3H-diazirin-3-yl]-L-phénylalanine (Tdf), ainsi que sa caractérisation en marquage par photoaffinité (MPA). Nous démontrons par l'utilisation du récepteur de l'angiotensine II de type 2 (AT[indice inférieur 2]) comme modèle de GPCR que le Tdf est plus réactif que le p-benzoyl-L-phénylalanine (Bpa, la sonde photoréactive la plus couramment utilisée), en plus de ne présenter aucune chimiosélectivité envers les méthionines. Ces propriétés font que le Tdf est non seulement complémentaire au Bpa, mais représente également un outil moléculaire permettant de déterminer avec précision les sites de contacts ligand/récepteur par MPA. Dans une deuxième étude (J.Med.Chem.2010; 53(5):2063-75), nous cherchons à identifier l'ensemble des domaines du site de liaison du récepteur AT[indice inférieur 1] qui contacte chacune des huit positions de l'angiotensine II (AngII) par MPA. À l'aide de deux séries de huit radio-analogues photoréactifs incorporant le Bpa ou le Tdf, nous démontrons qu'un mutant constitutivement actif (MCA) du récepteur AT[indice inférieur 1], AT[indice inférieur 1]-[N111G] (AT[indice inférieur 1],-MCA), possède une relation structure-activité (SAR) plus tolérante que le récepteur de type sauvage (TS). Nos résultats suggèrent que la portion N-terminale (NT) de l'AngII réside dans un environnement hydrophile et interagit avec différentes régions du récepteur MCA-AT[indice inférieur 1], dont plusieurs domaines extracellulaires (DEC). Dans une troisième étude (Manuscrit soumit [i.e. soumis]), nous utilisons l'essai de proximité aux méthionines (EPM) afin d'identifier précisement les résidus des DEC du récepteur AT[indice inférieur 1] qui forment le site de liaison pour l'AngII. Les données recueillies sont utilisées afin de générer in silico une structure tridimensionnelle du récepteur AT[indice inférieur 1] lié à l'AngII. Cette structure met en évidence le rôle central de plusieurs DEC, mais aussi des deux ponts disulfures, dans l'organisation de la topologie extracellulaire du site de liaison du récepteur AT[indice inférieur 1]. L'AngII y interagit alors simultanément avec l'ensemble des DEC, mais aussi profondément au sein des domaines transmembranaires (DTM). Nous émettons l'hypothèse que ce mode de liaison puisse être commun à d'autres GPCR peptidergiques.

Si la parole est une faculté dont l'usage nous semble parfaitement naturel,il reste toutefois beaucoup à comprendre sur la nature des représentations et des processus cognitifs qui la gouvernent. Au cœur de cette thèse se trouve la question des interactions entre perception et action dans la production et la perception de syllabes. Nous adoptons le cadre rigoureux de la programmation bayésienne au sein duquel nous définissons mathématiquement le modèle COSMO (pour "Communicating Objects using Sensori-Motor Operations"), qui permet de formaliser les théories motrice, auditive et perceptuo-motrice de la communication parlée et de les étudier quantitativement. Cette approche conduit à un premier résultat théorique fort : nous démontrons un théorème d'indistinguabilité d'après lequel, lorsque l'on pose certaines hypothèses de conditions idéales d'apprentissage, les théories auditive et motrice font des prédictions identiques pour des tâches de perception, et sont de ce fait indistinguables. Pour s'éloigner de ces conditions, nous proposons un algorithme original d'apprentissage sensori-moteur “par accommodation”, qui permet de s'adapter au bain acoustique ambiant tout en développant des idiosyncrasies. Cet algorithme d'apprentissage par imitation de ciblesacoustiques permet l'apprentissage de compétences motrices à partir d'entrées perceptives uniquement, avec la propriété remarquable de se focaliser sur les régions d'intérêt pour l'apprentissage. Nous utilisons des syllabes synthétisées grâce au modèle de conduit vocal VLAM pour analyser les dynamiques d'évolution des modèles appris ainsi que leur robustesse aux dégradations. / While speech communication is a faculty that seems natural, a lot remainsto be understood about the nature of the cognitive representations and processes that are involved. Central to this PhD research is the study of interactions between perception and action during production or perception of syllables. We choose Bayesian Programming as a rigorous framework within which we provide a mathematical definition of the COSMO model ("Communicating Objects using Sensori-Motor Operations"), which allows to formalize motor, auditory and perceptuo-motor theories of speech communication and to study them quantitatively. This approach first leads to a strong theoretical result:we prove an indistinguishability theorem, according to which, given some ideal learning conditions, motor and auditory theories make identical predictions for perception tasks, and therefore cannot be distinguished empirically. To depart from these conditions, we introduce an original “learning by accommodation” algorithm, which enables to adapt to the ambient acoustic environment as well as to develop idiosyncrasies. This algorithm, which learns by mimicking acoustic targets, allows to acquire motor skills from acoustic inputs only, with the remarkable property of focusing its learning on the adequate regions. We use syllables synthesized by a vocal tract model (VLAM ) to analyse how thedifferent models evolve through learning and how robust they are to degradations.

L'objet de cette thèse est la modélisation computationnelle de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), appliquée à l'imagerie des réseaux vasculaires. Les images sont influencées par la géométrie des vaisseaux mais aussi par le flux sanguin. Par ailleurs, outre la qualité des modèles développés, il est important que les calculs soient performants. C'est pourquoi, le calcul parallèle est utilisé pour gérer ce type de problèmes complexes. Dans cette thèse, trois solutions sont proposées. La première concerne les algorithmes parallèles pour la modélisation des réseaux vasculaires. Des algorithmes dédiés à différentes architectures sont proposés. Le premier est basé sur le modèle de « passage de messages » pour les machines à mémoires distribuées. La parallélisation concerne l'irrigation de nouvelles zones de tissu par les vaisseaux existants. Le deuxième algorithme est dédié aux machines à mémoire partagée. Il parallélise également le processus de perfusion mais des processeurs différents se chargent de gérer les différents arbres vasculaires. Le troisième algorithme est une combinaison des approches précédentes offrant une solution pour les architectures parallèles hybrides. Les algorithmes proposés permettent d'accélérer considérablement la croissance des réseaux vasculaires complexes, ce qui rend possible la simulation de structures vasculaires plus précises, en un temps raisonnable et aide à améliorer le modèle vasculaire et à tester plus facilement différents jeux de paramètres. Une nouvelle approche de modélisation computationnelle des flux en IRM est également proposée. Elle combine le calcul de flux par la méthode de Lattice Boltzmann, la simulation IRM par le suivi temporel de magnétisations locales, ainsi qu'un nouvel algorithme de transport des magnétisations. Les résultats montrent qu'une telle approche intègre naturellement l'influence du flux dans la modélisation IRM. Contrairement aux travaux de la littérature, aucun mécanisme additionnel n'est nécessaire pour considérer les artéfacts de flux, ce qui offre une grande facilité d'extension du modèle. Les principaux avantages de cette méthode est sa faible complexité computationnelle, son implémentation efficace, qui facilitent le lancement des simulations en utilisant différents paramètres physiologiques ou paramètres d'acquisition des images. La troisième partie du travail de thèse a consisté à appliquer le modèle d'imagerie de flux à des réseaux vasculaires complexes en combinant les modèles de vaisseaux, de flux et d'acquisition IRM. Les algorithmes sont optimisés à tous les niveaux afin d'être performants sur des architectures parallèles. Les possibilités du modèle sont illustrées sur différents cas. Cette démarche de modélisation peut aider à mieux interpréter les images IRM grâce à l'intégration, dans les modèles, de connaissances variées allant de la vascularisation des organes jusqu'à la formation de l'image en passant par les propriétés des flux sanguins. / This PhD thesis concerns computer modeling of magnetic resonance imaging (MRI). The main attention is centered on imaging of vascular structures. Such imaging is influenced not only by vascular geometries but also by blood flow which has to been taken into account in modeling. Next to the question about the quality of developed models, the challenge lies also in the demand for high performance computing. Thus, in order to manage computationally complex problems, parallel computing is in use. In the thesis three solutions are proposed. The first one concerns parallel algorithms of vascular network modeling. Algorithms for different architectures are proposed. The first algorithm is based on the message passing model and thus, it is suited for distributed memory architectures. It parallelizes the process of connecting new parts of tissue to existing vascular structures. The second algorithm is designed for shared memory machines. It also parallelizes the perfusion process, but individual processors perform calculations concerning different vascular trees. The third algorithm combines message passing and shared memory approaches providing solutions for hybrid parallel architectures. Developed algorithms are able to substantially speed up the time-demanded simulations of growth of complex vascular networks. As a result, more elaborate and precise vascular structures can be simulated in a reasonable period of time. It can also help to extend the vascular model and to test multiple sets of parameters. Secondly, a new approach in computational modeling of magnetic resonance (MR) flow imaging is proposed. The approach combines the flow computation by lattice Boltzmann method, MRI simulation by following discrete local magnetizations in time and a new magnetization transport algorithm together. Results demonstrate that such an approach is able to naturally incorporate the flow influence in MRI modeling. As a result, in the proposed model, no additional mechanism (unlike in prior works) is needed to consider flow artifacts, what implies its easy extensibility. In combination with its low computational complexity and efficient implementation, the solution is a user-friendly and manageable at different levels tool which facilitates running series of simulations with different physiological and imaging parameters. The goal of the third solution is to apply the proposed MR flow imaging model on complex vascular networks. To this aim, models of vascular networks, flow behavior and MRI are combined together. In all the model components, computations are adapted to be performed at various parallel architectures. The model potential and possibilities of simulations of flow and MRI in complex vascular structures are shown. The model aims at explaining and exploring MR image formation and appearance by the combined knowledge from many processes and systems, starting from vascular geometry, through flow patterns and ending on imaging technology.

Et si les propriétés sensori-motrices de la parole modelaient le langage ? Cette hypothèse a propulsé le langage dans le monde de la complexité et de la cognition en-corporée. Nous introduisons ici différents types d'arguments montrant le rôle de la motricité de la parole dans la genèse du langage. Motricité orofaciale, d'abord, avec l'idée que les propriétés de la coordination inter-articulateurs contraindraient la morphogenèse du langage. Motricité orofaciale et brachiomanuelle, ensuite, avec l'hypothèse que le langage émergerait de la coordination main-bouche portant l'acte de pointage par la voix et par la main. Dans ce cadre, nos expériences analysent les mouvements enregistrés chez des locuteurs du français dans différentes tâches afin d'établir les propriétés des coordinations mâchoire-langue-lèvres dans la parole, puis mâchoire-main dans le pointage. Ces recherches s'intègrent au cadre de recherche global et récent proposant d'étudier le langage comme un système-complexe.